可視承壓多功能粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

閆興清，周一卉，王祎博，于佳慧，廖麗琪

(大連理工大學(xué) 化工機(jī)械與安全學(xué)院,遼寧 大連 116024)

可爆粉塵廣泛存在于化工、紡織、藥物、糧食、塑料、采礦、金屬等行業(yè),工業(yè)粉塵爆炸潛在風(fēng)險大[1]。國內(nèi)十二五期間發(fā)生的數(shù)起重特大粉塵爆炸事故[2],不僅造成巨大傷亡和財產(chǎn)損失,更對社會穩(wěn)定造成惡劣影響。粉塵爆炸事故多發(fā)性和災(zāi)害性促使世界各國對粉塵爆炸現(xiàn)象開展廣泛研究[3-4]。國內(nèi)各高校安全工程專業(yè)也相繼將粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)列為專業(yè)實(shí)驗(yàn),以培養(yǎng)理解粉塵爆炸及其防治的安全技術(shù)及管理人才[5]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)各高校及科研機(jī)構(gòu)常用的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置一般分兩類:測量粉塵爆炸強(qiáng)度的鋼制密閉承壓裝置,如標(biāo)準(zhǔn)20 L球[6]；研究粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑サ目梢曂该鞒谘b置,如1.2 L哈特曼管[7]。前者可測量粉塵爆炸超壓,但因容器不可視,故無法精準(zhǔn)獲取火焰形貌；后者可記錄火焰形貌,但因容器不承壓,故無法獲得爆炸超壓。從科研的角度考慮,由于粉塵爆炸現(xiàn)象通常是壓力與火焰?zhèn)鞑サ鸟詈线^程,因此,同步獲取密閉空間內(nèi)粉塵爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑バ袨?必將是以后關(guān)注的方向；從教學(xué)的角度考慮,一套兼具爆炸壓力和火焰形貌測量的小規(guī)模粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置,將有助于學(xué)生對粉塵爆炸現(xiàn)象以及粉塵爆炸災(zāi)害的理解。因此,對兼具可視、承壓功能的小規(guī)模粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置有需求。

目前,基于專業(yè)內(nèi)容和實(shí)際需求自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺,是高校培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力,提高科研水平的有效途徑[8-10]。基于上述背景,本文在參考現(xiàn)有1.2 L可視、非承壓哈特曼管裝置的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)搭建了可視、承壓的1.2 L粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置,詳細(xì)描述了裝置流程、結(jié)構(gòu)及特色,并介紹了裝置在大連理工大學(xué)的應(yīng)用情況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 需解決的關(guān)鍵問題

擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件是可視及承壓的爆炸容器。從適用于教學(xué)的角度考慮,爆炸容器的規(guī)模不應(yīng)太大,否則實(shí)驗(yàn)較危險且操作不便。參考現(xiàn)有的三種粉塵爆炸標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置即1.2 L哈特曼管、20 L球以及1 m3柱形容器的使用情況,1.2 L哈特曼管無論從可操作性還是實(shí)用性上均較好,因此,擬設(shè)計(jì)爆炸容器的幾何尺寸參考1.2 L哈特曼管。

爆炸容器的可視化可以通過采用石英玻璃材料實(shí)現(xiàn)。然而,要想在標(biāo)準(zhǔn)1.2 L哈特曼管的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)石英玻璃爆炸容器的承壓需求,需要考慮如下兩個問題。

1)標(biāo)準(zhǔn)1.2 L哈特曼管因無承壓需求,故在柱形玻璃容器上開設(shè)了兩個點(diǎn)火電極孔。擬設(shè)計(jì)的石英玻璃爆炸容器雖然通過調(diào)整壁厚能夠承壓,但不允許在壁面開孔,故需要考慮點(diǎn)火電極的布置問題。

2)標(biāo)準(zhǔn)1.2 L哈特曼管為敞口實(shí)驗(yàn),不需要考慮容器的密封問題。擬設(shè)計(jì)石英玻璃爆炸容器因密閉以及承壓需要,必須考慮密封問題。

因此,石英玻璃爆炸容器的設(shè)計(jì),是需要解決的關(guān)鍵問題。

1.2 爆炸容器設(shè)計(jì)

基于上述問題設(shè)計(jì)了如圖1所示的爆炸容器。材料選用柱形石英玻璃,內(nèi)徑70 mm、高300 mm、壁厚10 mm、容積約1.2 L。在此規(guī)格下石英玻璃可承壓1 MPa(廠家提供數(shù)據(jù)),高于粉塵的爆炸超壓。為了解決密封問題,在石英玻璃筒體上、下兩端設(shè)計(jì)了鋼制法蘭蓋。法蘭蓋內(nèi)有凹槽,內(nèi)置橡膠墊。上、下兩端的法蘭蓋通過支撐螺柱和螺栓相連。擰緊螺栓時,石英玻璃筒壁接觸橡膠墊,在螺栓載荷下壓緊墊片實(shí)現(xiàn)密封。為了解決石英玻璃壁面無法開孔安裝點(diǎn)火電極的問題,將點(diǎn)火電極焊接在底部法蘭中部蘑菇狀噴嘴的兩側(cè)。頂部法蘭焊接接管,接管上布置壓力傳感器、設(shè)計(jì)爆破壓力為1 MPa的爆破片并連接真空泵。通過上述設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了爆炸容器的可視、承壓功能。

圖1 爆炸容器設(shè)計(jì)示意圖

1.3 整體流程及零部件設(shè)計(jì)

搭建的實(shí)驗(yàn)裝置整體流程和實(shí)物分別如圖2和圖3所示,主要由爆炸容器、點(diǎn)火系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等零部件組成。點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火電極和脈沖點(diǎn)火器組成。點(diǎn)火器脈沖電壓為15 kV。噴粉系統(tǒng)由真空泵、壓縮空氣氣瓶、儲氣罐以及電磁閥組成。實(shí)驗(yàn)前粉塵置于下法蘭上噴嘴兩側(cè)；組裝容器后向儲氣罐中充入一定壓力的預(yù)混氣體；然后打開電磁閥,儲氣罐內(nèi)氣體通過蘑菇狀噴嘴進(jìn)入爆炸容器,并將鋪設(shè)在下法蘭的粉塵揚(yáng)起,實(shí)現(xiàn)快速噴粉。實(shí)驗(yàn)過程中需要采集爆炸容器內(nèi)壓力與火焰?；鹧嬗蒔hotron Fastcam SA-4高速攝影機(jī)采集；壓力由MD-HF高頻壓力變送器記錄,并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)中。設(shè)計(jì)開發(fā)了試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng),用于控制電磁閥啟閉、點(diǎn)火電極放電、壓力信號采集,以及調(diào)整噴粉壓力、點(diǎn)火延遲時間、點(diǎn)火電極放電時間、數(shù)據(jù)采集時間等參數(shù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2 裝置可靠性測試及應(yīng)用

2.1 承壓及可視性能測試

實(shí)驗(yàn)裝置搭建完畢后,首先對裝置的承壓及可視特性的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。對該裝置開展了水壓實(shí)驗(yàn),水壓實(shí)驗(yàn)壓力達(dá)到1 MPa,爆炸容器無滲漏及顯著變形。其次,開展了密閉容器內(nèi)不同濃度石松子粉塵的爆炸實(shí)驗(yàn),超壓曲線如圖4所示,發(fā)現(xiàn)最大爆炸超壓接近0.5 MPa時爆炸容器未見任何損壞。

實(shí)驗(yàn)記錄得到的石松子粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)如圖5所示,可見通過高速攝像能夠清晰捕捉火焰的傳播行為,裝置的可視性能滿足要求。

圖4 爆炸超壓示意圖(噴粉壓力0.2 MPa,點(diǎn)火延遲時間60 ms)

圖5 密閉容器內(nèi)石松子粉塵爆炸火焰行為(噴粉壓力0.2 MPa,點(diǎn)火延遲時間60 ms)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn)

搭建的實(shí)驗(yàn)裝置具有如下4個特點(diǎn)。

1)采用較少的耗材及費(fèi)用實(shí)現(xiàn)了兼具承壓、可視需求的爆炸容器設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法對具有類似需求的實(shí)驗(yàn)平臺搭建具有參考意義。

2)實(shí)驗(yàn)裝置自動化程度高,電磁閥啟閉、噴粉、點(diǎn)火、采集采用一鍵式操作,且參數(shù)可預(yù)設(shè)、可調(diào)整。

3)實(shí)驗(yàn)裝置多重安全保障。硬件上在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上安裝了爆破片,軟件上設(shè)置延時啟動功能,方便操作人員撤離現(xiàn)場,確保操作人員人身安全。

4)裝置易擴(kuò)展,便于復(fù)雜工況研究。例如,在實(shí)際操作時,若不安裝上法蘭蓋,而安裝一個與爆炸容器相配的鋼環(huán),則可實(shí)現(xiàn)一端密閉、一端開口的受限空間內(nèi)粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨閷?shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)形貌如圖6所示。

圖6 受限空間石松子粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑?噴粉壓力0.2 MPa,點(diǎn)火延遲時間60 ms)

2.3 裝置應(yīng)用情況

1)開設(shè)安全工程類專業(yè)本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

基于本實(shí)驗(yàn)裝置,為大連理工大學(xué)安全工程類專業(yè)本科生開設(shè)了“粉塵爆炸火焰?zhèn)鞑バ袨椤睂?shí)驗(yàn)。由于本實(shí)驗(yàn)具有開放型、綜合型特征,同時,能夠?qū)⒑苡嘘P(guān)注度的粉塵爆炸現(xiàn)象用可視方法記錄,基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果理解其超壓災(zāi)害及火焰形貌,因此,相比其他諸如可燃液體閃點(diǎn)測定、可燃?xì)怏w爆炸極限測定、粉塵爆炸強(qiáng)度測定等實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)更受到學(xué)生的普遍歡迎。

作為教學(xué)實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)還有一個優(yōu)點(diǎn),即測量得到的火焰?zhèn)鞑バ蚊?并沒有標(biāo)準(zhǔn)的描述方式。因此,在實(shí)驗(yàn)報告撰寫過程中,學(xué)生需要查取相應(yīng)文獻(xiàn)資料,一定程度上鍛煉了學(xué)生的資料查閱、信息搜集等能力。

2)為大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)提供實(shí)驗(yàn)平臺。

基于本實(shí)驗(yàn)裝置,在大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目以及畢業(yè)論文等教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)上,開設(shè)了若干題目供學(xué)生選擇。由于本裝置結(jié)構(gòu)小巧、操作方便,同時研究內(nèi)容新穎、明確,因此學(xué)生在使用本裝置開展這些教學(xué)實(shí)踐活動時,取得了較好效果。

3)用于開展密閉及受限空間內(nèi)粉塵爆炸機(jī)理相關(guān)項(xiàng)目研究。

爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ヒ恢笔潜▽W(xué)的經(jīng)典科學(xué)問題[11-12]。一方面,研究爆炸壓力強(qiáng)度及作用機(jī)制,對災(zāi)害評估具有重要意義；另一方面,研究火焰?zhèn)鞑C(jī)理,可為爆炸事故的發(fā)生、演化提供理論基礎(chǔ)。由于粉塵爆炸為異相體系,涵蓋粒子受熱、熱解氣化、混合、點(diǎn)燃、反應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象,且受眾多參數(shù)影響,因此研究者對粉塵爆炸機(jī)理的理解還比較欠缺。本裝置在設(shè)計(jì)時,將多種影響粉塵爆炸的參數(shù)如噴粉壓力、點(diǎn)火延遲時間等均實(shí)現(xiàn)了方便地調(diào)整,能夠用于開展粉塵爆炸理論的初步探索。目前,本裝置已在兩個國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51604057、51574056)研究上得到應(yīng)用。

4)為參加大學(xué)生過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽、安全科學(xué)與工程大學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新作品大賽提供了平臺。

某本科團(tuán)隊(duì)以本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)為題,參加了第七屆全國大學(xué)生過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽,獲得三等獎。本平臺為本科生參加各種競賽提供了研究機(jī)會,為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了思路。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)搭建了一套耐壓、可視的小型多功能粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)了密閉容器內(nèi)粉塵爆炸壓力及火焰?zhèn)鞑バ袨榈臏y量。裝置由爆炸容器、點(diǎn)火系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等零部件組成。實(shí)驗(yàn)裝置自動化程度高、安全性能好、功能容易擴(kuò)展。裝置已應(yīng)用于大連理工大學(xué)安全工程類專業(yè)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)論文以及科研項(xiàng)目研究、創(chuàng)新實(shí)踐大賽等場合,使用效果良好。本文工作為類似實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)提供了參考。